Im Jahre 1951 entwickelte Erwin Wilhelm MÜLLER (1911 - 1977) das Feldelektronenmikroskop und bildete damit die Spitze einer Elektronen emittierenden Nadel ab. Das Auflösungsvermögen von ca. \(2{\rm{nm}}\) reichte aus, um einzelne Moleküle zu sehen.
In der Mitte eines evakuierten Glaskolbens befindet sich eine sehr feine heizbare Einkristallspitze K aus Wolfram (Krümmungsradius ca. \({10^{ - 7}}{\rm{m}}\)), die als Kathode dient.
Die Anode A wird durch eine ebenfalls beheizbare Wolframwendel gebildet, an der sich ein Bariumvorrat befindet. A ist leitend mit dem metallisierten Leuchtschirm verbunden.
Legt man zwischen K und A eine Hochspannung, so tritt an der Wolframspitze K ein sehr starkes elektrisches Feld auf, welches aus dieser zunächst ungeheizten Spitze Elektronen herauslöst (Feldemission).
Die so gewonnenen freien Elektronen werden durch das elektrische Feld (Größenordnung etwa \({\rm{1}}{{\rm{0}}^7}\frac{{\rm{V}}}{{{\rm{cm}}}}\)) radial in Richtung des Glaskolbens beschleunigt und bringen die mit einer speziellen Schicht überzogene Innenseite des Kolbens zum Leuchten.
Auf diesem - etwa \(5{\rm{cm}}\) von der Spitze K entfernten Leuchtschirm ist nun nicht ein gleichmäßig helles Leuchten zu beobachten, wie man es von einer glatten homogenen Oberfläche der Kristallspitze erwarten würde. Man sieht vielmehr diffuse regelmäßig angeordnete helle Flecke. Es gibt offenbar auf der strukturierten Kristalloberfläche Zonen, die leichter Elektronen abgeben. Von diesen Zonen sehen wir die Bilder auf dem Leuchtschirm in Form heller Flecke (Vergrößerungsfaktor ca. 500 000).
Durch Beheizen der Anode A kann man Barium verdampfen. Einige Bariumatome gelangen auch auf die Wolframspitze K und verändern dadurch deren Oberfläche. Die Bariumatome wirken wie kleine Spitzen, die auf die Wolframelektrode aufgesetzt sind. Das elektrische Feld um die Bariumatome ist daher stärker als in der Umgebung (Spitzenwirkung). Die durch Feldemission aus den Bariumatomen "gesogenen" Elektronen entwerfen auf dem Bildschirm helle Bildpunkte.
Versuchsaufbau vom BG / BRG Mössingerstraße (Dr. Willitsch), Klagenfurt
mit Beschriftung von LEIFI (Leuchtschirm um 90° geklappt)
Heizt man nun die Spitze K vorsichtig, so erkannt man eine Bewegung der durch die Bariumatome hervorgerufenen Bildpunkte auf dem Leuchtschirm, die umso lebhafter wird, je höher die Temperatur der Wolframspitze gewählt wird.
Auf diese Weise hat man die Möglichkeit der direkten Beobachtung der "Wärmebewegung" von Atomen.
Im Jahre 1955 gelingt es MÜLLER, mit dem Feldionenmikroskop das erste Mal ein einzelnes Atom sichtbar – ein Uranatom.